基坑開挖引起緊鄰地鐵隧道力學(xué)響應(yīng)與處理方案研究

石鈺鋒，方燾，王海龍，胡文韜 ，郭俊，張鵬

(1.華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013 ；2.南昌市政公用集團(tuán)，江西 南昌 330000；3.江西省水利科學(xué)研究院，江西 南昌 330029；4.中建鋼構(gòu)有限公司，廣東 深圳 518048)

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基坑開挖引起緊鄰地鐵隧道力學(xué)響應(yīng)與處理方案研究

石鈺鋒1，3，方燾1，王海龍2，胡文韜1，郭俊2，張鵬4

(1.華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013 ；2.南昌市政公用集團(tuán)，江西 南昌 330000；3.江西省水利科學(xué)研究院，江西 南昌 330029；4.中建鋼構(gòu)有限公司，廣東 深圳 518048)

摘要:針對(duì)在建基坑對(duì)既有地鐵隧道影響問題，依托杭州某基坑工程，建立三維數(shù)值仿真模型，分析既有地鐵隧道在基坑施工中的受力變形響應(yīng)，重點(diǎn)評(píng)價(jià)基坑施工引起隧道結(jié)構(gòu)的附加應(yīng)力及變形，在此基礎(chǔ)上，研究臨近隧道側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)加強(qiáng)、分塊對(duì)稱開挖等措施對(duì)隧道結(jié)構(gòu)受力變形的控制效果。研究結(jié)果表明：基坑開挖對(duì)臨近既有隧道的影響程度與兩者之間的距離、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度及開挖順序有關(guān)，距離越近、支護(hù)剛度越小、一次開挖范圍越大影響越大；加強(qiáng)臨近隧道側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度和合理采用分塊對(duì)稱開挖均能很好地控制基坑變形，尤其適用于變形控制嚴(yán)格的工程；除附加變形外，隧道結(jié)構(gòu)附加內(nèi)力可作為隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：基坑開挖； 地鐵隧道； 影響評(píng)價(jià)； 處理措施； 數(shù)值分析

隨著城市軌道的快速發(fā)展，基坑鄰近既有地鐵情況越來越多[1-5]，已引起業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注及高度重視。基坑開挖必然引起臨近地鐵隧道附加內(nèi)力及變形，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，基坑工程手冊(cè)[6]對(duì)地鐵容許變形進(jìn)行了規(guī)定，但規(guī)范中仍未明確。為此，如何準(zhǔn)確評(píng)價(jià)在建基坑與既有地鐵隧道的相互影響是難點(diǎn)，也是研究熱點(diǎn)[7]。理論研究方面，常將隧道結(jié)構(gòu)考慮為彈性地基梁，開挖效果簡(jiǎn)化為應(yīng)力釋放，對(duì)其進(jìn)行求解，且多研究坑底下臥情況，無法考慮土體非線性、施工條件、兩者相對(duì)位置、應(yīng)力釋放時(shí)空效應(yīng)等影響[7]。因此不少學(xué)者采用數(shù)值手段開展研究，Zhang等[8]通過前人經(jīng)典模型試驗(yàn)對(duì)簡(jiǎn)化數(shù)值模型精度進(jìn)行檢驗(yàn)，然后開展了隧道埋深、與基坑距離等因素對(duì)隧道變形的影響。Wei等[9]依托杭州某工程，結(jié)合數(shù)值計(jì)算與實(shí)踐論證了基坑底部加固可有效減小隧道上浮。Zhang等[10]通過經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證過的半解析法分析了基坑面積、相對(duì)距離及開挖工序等因素對(duì)基坑與隧道的相互影響。Shi等[11]采用考慮應(yīng)力路徑的亞塑性本構(gòu)，建立三維數(shù)值模型，對(duì)干砂地層中地下室開挖與既有隧道的影響進(jìn)行了研究。Hu等[12]根據(jù)數(shù)值計(jì)算預(yù)測(cè)運(yùn)營(yíng)地鐵隧道受臨近基坑開挖的變形，對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)、施工工序提出合理建議。Sharma等[13]在對(duì)某緊鄰基坑的既有隧道變形的監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)上開展數(shù)值分析，認(rèn)為隧道剛度越大，受基坑開挖影響越小。黃宏偉等[14]以位于某隧道拱頂上方的上海外灘通道為背景，通過三維有限元軟件PLAXIS分別模擬了無保護(hù)措施、采取土體加固和堆載三種措施對(duì)已有隧道的影響。楊德春等[15]以蘇州某深基坑工程為例，通過對(duì)基坑支護(hù)體系、土方開挖和拆撐方式進(jìn)行數(shù)值模擬，分析地鐵隧道結(jié)構(gòu)附加變形及應(yīng)力變化，提出了軟土深基坑設(shè)計(jì)與施工風(fēng)險(xiǎn)控制關(guān)鍵技術(shù)。郭典塔等[16]結(jié)合某廣場(chǎng)基坑工程，采用三維數(shù)值模擬分析近接隧道基坑開挖施工力學(xué)特性，研究了基坑與隧道之間的靜動(dòng)力學(xué)相互作用機(jī)理。理想彈塑性模型常導(dǎo)致不合理的坑底回彈，多用于基坑的初步分析，因此姜兆華[7]采用HS硬化土模型研究了既有隧道受基坑開挖的影響。ZHENG等[17]通過考慮應(yīng)力路徑的數(shù)值計(jì)算分析認(rèn)為隧道附加變形主要因?yàn)樯细步佑|壓力不均勻變化引起，隧道變形量隨其埋深而減小。徐長(zhǎng)節(jié)等[18]依托具體工程采用HS硬化土模型開展了緊鄰基坑的既有隧道變形的控制技術(shù)研究。另外模型試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)作為該問題研究的重要手段，也有不少的文獻(xiàn)報(bào)道。魏少偉[19]采用國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)砂，利用離心機(jī)試驗(yàn)，研究了基坑開挖對(duì)下臥隧道內(nèi)力和變形的影響。梁發(fā)云等[20]以上海某緊鄰地鐵隧道的深基坑工程為背景，采用離心模型試驗(yàn)，研究“先挖大基坑，后挖小基坑”的開挖過程中隧道結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形特性。許多學(xué)者依托實(shí)際工程，結(jié)合基坑及隧道的主要監(jiān)測(cè)成果，分析基坑開挖對(duì)鄰近地鐵隧道的影響[21-24]。業(yè)內(nèi)關(guān)于基坑對(duì)既有地鐵隧道影響的機(jī)理研究尚不深入，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也不完善，本文依托杭州某工程，采用三維數(shù)值手段深入分析基坑開挖對(duì)既有臨近隧道的影響，提出基坑與隧道相互影響的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，并對(duì)各種隧道變形控制手段進(jìn)行對(duì)比研究，以更好指導(dǎo)該類工程。

1工程概況

工程位于杭州市下沙經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)。基坑?xùn)|西向長(zhǎng)約200m，南北向長(zhǎng)約80～100m(圖1)，安全等級(jí)為一級(jí)。地面標(biāo)高±0.00m相當(dāng)于黃海高程6.80m，場(chǎng)地相對(duì)標(biāo)高以-0.40m計(jì)。基坑設(shè)計(jì)開挖深度為-11.80m，分3層開挖，第1層開挖至-2.30m，第2層開挖至-8.90m，第3層開挖至坑底。

基坑的北面和西面目前為空地，南面有一已運(yùn)營(yíng)的上、下行地鐵隧道，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)距隧道邊緣最近距離約11m，坑底與隧頂垂直距離2.3m，如圖2所示。為減小基坑開挖對(duì)鄰近地鐵的影響，確保地鐵運(yùn)營(yíng)安全，設(shè)計(jì)中加強(qiáng)了臨近地鐵隧道側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度，并擬在施工中采取分塊對(duì)稱開挖。本文擬采用FLAC3D軟件動(dòng)態(tài)模擬設(shè)計(jì)及施工過程，分析基坑開挖對(duì)地鐵隧道產(chǎn)生的影響。

圖1　基坑及地鐵位置關(guān)系圖Fig.1 Layout of foundation pit and Metro

圖2　鄰近隧道的基坑剖面圖Fig.2 Profile of foundation pit near the tunnel

臨近地鐵側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用大直徑鉆孔灌注樁排樁結(jié)合雙排三軸水泥攪拌樁作為止水帷幕，其余均采用型鋼水泥土攪拌樁作為擋土結(jié)構(gòu)兼止水帷幕，如圖3。型鋼水泥土攪拌樁徑為850mm，中心距為600mm。鉆孔灌注樁樁徑1 000mm，中心距1 150mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C25。

圖3　基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面圖Fig.3 Layout of retaining structure

支撐采用2層鋼筋混凝土內(nèi)支撐。第1道支撐中心標(biāo)高-1.800m，截面為900(b)×800(h)mm，第2道支撐中心標(biāo)高-8.400m，截面為1 000(b)×900(h)mm，均采用C30混凝土。地下水控制主要采用設(shè)置三軸水泥攪拌樁止水、簡(jiǎn)易深井降水。

2數(shù)值分析

2.1模型建立

為分析地鐵隧道在臨近基坑施工過程中周圍巖土體及結(jié)構(gòu)的受力與變形，并提出控制措施，基于FLAC3D軟件建立三維模型進(jìn)行研究。

根據(jù)基坑周邊環(huán)境及杭州地區(qū)軟土基坑開挖經(jīng)驗(yàn)，確定模型尺寸為220m×330m×50m(寬×長(zhǎng)×高)，可滿足分析精度要求，如圖4所示。

圖4　模型示意圖Fig.4 Sketch of model

模型約束條件為：4個(gè)側(cè)面水平向位移約束，底部z向約束，上表面為自由面。巖土體、鉆孔灌注及SMW工法樁用實(shí)體單元模擬，其中巖土體服從摩爾-庫侖本構(gòu)，樁體按彈性材料考慮，內(nèi)撐、格構(gòu)柱、隧道結(jié)構(gòu)分別采用梁、樁、殼單元模擬，如圖5所示。

表1　土層物理力學(xué)指標(biāo)

圖5　基坑圍護(hù)及隧道結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Sketch of exterior-protected structures and tunnel structures

圖6　鉆孔灌注及SMW工法樁剛度等效圖Fig.6 Stiffness equivalence of pile and diaphragm wall

為突出本文研究重點(diǎn)，另有如下說明：1)基坑周邊按照建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程(JGJ120—2012)考慮20kPa的超載；2)每層開挖后，基底2m深度范圍內(nèi)考慮加固，加固后地層參數(shù)在原基礎(chǔ)上提升一個(gè)數(shù)量級(jí)[25]；3)忽略格構(gòu)柱的縱向變形；4)不考慮隧道運(yùn)營(yíng)期動(dòng)荷載影響。

表2圍護(hù)結(jié)構(gòu)及隧道襯砌相關(guān)參數(shù)

Table2Relevantparametersofretainingstructureandtunnellining

圍護(hù)結(jié)構(gòu)E/GPaμH/mb/m鉆孔灌注樁200.20.799-SMW工法樁7.80.20.750-第1道支撐300.20.8000.9第2道支撐300.20.9001.0隧道襯砌400.2--

2.2工況擬定

為研究基坑開挖對(duì)臨近既有隧道的影響因素，特對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度、挖土方式展開分析，擬定如表3所示3種工況，以供對(duì)比分析。

表3模擬工況

Table3Simulationcases

每種工況在模型建立及賦值后，計(jì)算自重平衡，施工既有隧道及基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，基坑施工模擬按照“先撐后挖”原則，開挖至對(duì)應(yīng)分層標(biāo)高下0.5m后計(jì)算平衡，施做內(nèi)撐，直至基坑開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，施做底板，計(jì)算結(jié)束。表4為工況3的計(jì)算工序。

表4　工程現(xiàn)場(chǎng)施工過程

2.3結(jié)果分析

2.3.1隧道變形規(guī)律

隧道變形呈豎向隆起，水平上向基坑側(cè)移動(dòng)的規(guī)律，圖7為工況1下，基坑開挖后，隧道總體變形示意圖。

圖7　工況1下隧道總體變形云圖Fig.7 Final deformation of tunnel liner in case 1

選圖7中基坑中心里程斷面，對(duì)隧道襯砌變形分析，如圖8所示，隧道結(jié)構(gòu)向基坑側(cè)移動(dòng)，臨近基坑側(cè)隧道最大位移矢量為18.7mm，遠(yuǎn)離基坑隧道最大位移矢量為8.9mm，說明距離基坑越近隧道變形越大。同時(shí)臨近基坑側(cè)隧道上隆趨勢(shì)顯著，而遠(yuǎn)離基坑豎向變形以沉降為主，表明隧道與基坑的距離不同，其變形特征也不同。另外，基坑開挖不同深度時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)變形規(guī)律基本類似，僅量值上表現(xiàn)隨基坑開挖深度增大而增大。

圖8　工況1下隧道襯砌變形矢量圖Fig.8 Vector diagram of tunnel liner deformation in case 1

2.3.2隧道受力規(guī)律

地鐵隧道在施工中受地層擾動(dòng)已承受一定內(nèi)力，基坑開挖后，地層再次擾動(dòng)，將引起隧道結(jié)構(gòu)的內(nèi)力改變。因3種工況規(guī)律類似，故以工況3為例進(jìn)行詳細(xì)分析。圖9為不同工序下隧道彎矩分布圖。可知：1)與基坑距離不同，附加彎矩分布、大小不同，臨近基坑的隧道附加彎矩較大；2)隨著基坑開挖深度增大，附加彎矩呈增大趨勢(shì)；3)基坑開挖第1層時(shí)，附加彎矩與原分布規(guī)律一致，量值略有增加，隨著開挖深度增大，上行線隧道臨近基坑側(cè)拱肩彎矩增大明顯，彎矩圖呈繞隧道中心順時(shí)針翻轉(zhuǎn)趨勢(shì)，而下行線反之。

(a)附加彎矩匯總；(b)基坑開挖第1層；(c)基坑開挖第2層；(d)基坑開挖完成圖9　工況3總彎矩及附加彎矩隨基坑開挖分布圖Fig.9 Distribution of moment & additional moment with excavation of foundation in case 3

表5為工況3中上行線隧道典型位置在不同開挖工序下彎矩變化值，變化規(guī)律與彎矩圖一致。

表5典型位置不同工序下彎矩值

Table5Bendingmomentvalueoftunneltypicalpositionindifferentprocess

kN·m

注：彎矩為隧道縱向單位長(zhǎng)度的范圍內(nèi)的合矩，正值表示襯砌內(nèi)側(cè)受拉，負(fù)值反之。

除彎矩變化外，基坑開挖也引起隧道軸力變化，但整體上呈減少趨勢(shì)(如圖10)，且變化不大，如上行隧道初始最大軸力為880kN，基坑開挖完成時(shí)軸力減少為800kN，減少比例約為9%，下行線隧道軸力減小比例約為2%～5%。

圖10　基坑開挖前后隧道軸力分布圖Fig.10 Tunnel axial force distribution before and after the excavation of foundation

綜合考慮彎矩及軸力變化對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響，計(jì)算隧道襯砌的安全系數(shù)，可知隧道最小安全系數(shù)由3.20下降為2.61，位于上行線靠近基坑的拱腳位置(B點(diǎn)位)。需要指出，基坑開挖同時(shí)可引起隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加剪力，因其相對(duì)彎矩、軸力較小，本文未做分析。

2.3.3隧道變形受力控制效果

為減小基坑開挖對(duì)既有隧道的影響，設(shè)計(jì)上提出加強(qiáng)鄰近隧道側(cè)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度、分塊對(duì)稱開挖等措施，通過計(jì)算及實(shí)測(cè)分析兩種措施效果。圖11為各工況及實(shí)測(cè)情況下，基坑中心里程位置，圍護(hù)結(jié)構(gòu)(鉆孔灌注樁、SWM工法樁)的水平位移圖。

(a)遠(yuǎn)離隧道側(cè)；(b)臨近隧道側(cè)圖11　基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移圖Fig.11 Horizontal displacement of retaining structure

從圖11可以看出，各工況下基坑圍護(hù)變形與測(cè)試結(jié)果規(guī)律一致，說明計(jì)算模型有效合理。同時(shí)，對(duì)比工況1和2可見，采用鉆孔灌注樁替換SWM樁，變形顯著減小；對(duì)比工況1和3可見，同等圍護(hù)參數(shù)條件下，采用分塊對(duì)稱開挖可明顯減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形量。

2種處理措施減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的同時(shí)，有效減小臨近隧道的變形，3種工況下，上行線隧道的最大位移矢量分別為18.7，26.3，5.2mm，下行線隧道變形較小，見圖8。

表6為各工況下，上行線隧道典型點(diǎn)位彎矩值，3種工況下最大彎矩分別為-217，-260，-175kN·m，數(shù)據(jù)表明，加強(qiáng)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度、分塊對(duì)稱開挖措施對(duì)減小臨近隧道襯砌彎矩明顯，計(jì)算各工況下最小安全系數(shù)分別為2.61，2.35和3.12。

表6典型位置不同工況下彎矩值

Table6Bendingmomentvalueoftunneltypicalpositionindifferentcase

kN·m

綜上可知，基坑開挖對(duì)臨近既有地鐵隧道的影響不容忽視，可引起其較大的變形及附加內(nèi)力，從而影響其穩(wěn)定性，安全系數(shù)降低明顯。其對(duì)隧道的影響程度與兩者之間的距離(水平距離及垂直距離)、基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度及開挖順序有關(guān)。距離越近、支護(hù)剛度越小，一次開挖范圍越大對(duì)隧道影響越大。

3施工效果

施工中，臨近隧道側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁，并嚴(yán)格按照分塊對(duì)稱開挖、先支后挖等原則施工，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，整個(gè)基坑施工期間，隧道未發(fā)現(xiàn)裂縫，軌道也未出現(xiàn)明顯變形，未影響地鐵的正常運(yùn)營(yíng)，表明本文所提方案的2個(gè)措施有效。

施工中對(duì)上行線水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，圖12為其在基坑長(zhǎng)邊范圍的分布圖，可見，位于基坑中部一定范圍內(nèi)，隧道水平位移相對(duì)顯著，兩頭變形顯著減弱，但最大值仍不足8mm，遠(yuǎn)小于《上海市地鐵沿線建筑施工保護(hù)地鐵技術(shù)管理暫行規(guī)定》中提出的20mm的要求。

圖12　實(shí)測(cè)上行隧道水平位移沿基坑長(zhǎng)邊分布圖Fig.12 Field monitoring data of horizontal displacement along the pit long-side direction

值得注意的是，盡管隧道變形滿足目前的相關(guān)要求，但計(jì)算表明襯砌安全系數(shù)不大，因此有必要盡快建立結(jié)構(gòu)內(nèi)力的控制準(zhǔn)則。

4結(jié)論

1) 基坑開挖對(duì)臨近既有隧道的影響程度與兩者之間的距離、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度及開挖順序有關(guān)，距離越近、支護(hù)剛度越小、一次開挖范圍越大影響越大。

2) 基坑開挖至一定深度，隧道臨近基坑側(cè)拱腰彎矩增大明顯，彎矩圖呈繞隧道中心順時(shí)針翻轉(zhuǎn)趨勢(shì)，而距離基坑較遠(yuǎn)的隧道彎矩反之；隧道安全系數(shù)降低最顯著位置為靠近基坑的拱腰處。

3) 適當(dāng)提高近鄰隧道側(cè)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度可加大圍護(hù)樁對(duì)土體變形的隔斷效應(yīng)、分塊對(duì)稱開挖可改變土體卸載路徑，從而有效減小基坑開挖對(duì)臨近隧道的影響。

4) 除附加變形外，隧道結(jié)構(gòu)附加內(nèi)力可作為隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并盡快建立結(jié)構(gòu)內(nèi)力的控制準(zhǔn)則。

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* 收稿日期：2015-09-05

基金項(xiàng)目：江西省科技落地計(jì)劃資助項(xiàng)目(KJLD4036)；南昌市政公用集團(tuán)科技基金資助項(xiàng)目

通訊作者：石鈺鋒(1985-)，男，江西都昌人，講師，博士，從事隧道與地下工程研究；E-mail：s074811156@126.com

中圖分類號(hào)：U451

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-7029(2016)06-1100-08

Research on mechanical response and countermeasures ofsubway tunnel induced by adjacent excavation

SHI Yufeng1,3, FANG Tao1, WANG Hailong2, HU Wentao1, GUO Jun2， ZHANG Peng4

(1.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,EastChinaJiaotongUniversity,Nanchang330013,China;2.NanchangMunicipalPublicGroup,Nanchang330000,China;3.JiangxiProvincialInstituteofWaterScience,Nanchang310029,China;4.ChinaConstructionSteelStructureCorp.Ltd,Shengzhen518048,China)

Abstract:In order to analyze the impact of the construction of foundation pit on existing shield tunnel, a three-dimensional numerical simulation model which relies on a foundation pit engineering in Hangzhou is established to study the deformation of existing shield tunnel due to the construction of foundation pit. This paper focuses on the additional stress and the deformation of shield tunnel structure caused by the construction of foundation pit. The control effects of several measures, such as symmetric block excavating and strengthening the parameters of exterior-protected construction adjacent to the side of tunnel, on shield tunnel’s deformation were researched. The results show that, the additional internal forces in tunnel structure can be used as an important evaluation index of tunnel structure stability analysis, except for additional deformation. It can well control pit deformation to strengthen the stiffness of exterior-protected construction adjacent to the side of tunnel and rational use symmetric block excavating. These measures is particularly suitable for engineering of rigorous deformation control.Key words: adjacent excavation; metro tunnel; influence assessment; countermeasure; numerical analysis